DE102004058864B4 - Method and device for fuel consumption-oriented cooling of internal combustion engines by means of a switchable additional valve - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine (1), die mittels einer Motorkühlmittelpumpe (7) umgewälzten Kühlmittels gekühlt wird, mit einem autarken Thermostatventil (6), welches zur Kontrolle einer Kühlmitteltemperatur einen Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine (1) und einen Fahrzeugkühler (8) regelt und einem von einer elektronischen Motorsteuerung (20) beeinflussbaren Bypasszweig (6b) mit Zusatzventil (6bv), welcher den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizungswärmetauscherkreislauf und sonstige bei geschlossenem autarkem Thermostatventil (6) durchströmbare Kühlmittelzweige parallel zu einer oder mehreren Drucksenken in einem durch das Zusatzventil (6bv) beeinflussbaren Strömungszweig angeordnet sind und dass dem Heizungswärmetauscherkreislauf und diesen sonstigen bei geschlossenem autarkem Thermostatventil (6) durchströmbaren Kühlmittelzweigen bei reduziertem Kühl- bzw. Heizbedarf dadurch trotz drehender Motorkühlmittelpumpe (7) eine reduzierte Druckdifferenz bis hin zur Druckdifferenz Null aufgeprägt wird, dass das Zusatzventil (6bv) teilweise oder ganz schließt.Method for operating a cooling and heating circuit for motor vehicles with an internal combustion engine (1), which is cooled by means of a coolant circulated by an engine coolant pump (7), with a self-sufficient thermostatic valve (6), which controls a coolant temperature and a coolant throughput through the internal combustion engine (1) and regulates a vehicle radiator (8) and a bypass branch (6b) with an additional valve (6bv) which can be influenced by an electronic engine control (20) and which additionally varies the coolant throughput through the internal combustion engine (1) depending on its cooling requirement, characterized in that a heating heat exchanger circuit and other coolant branches through which flow can flow when the autarkic thermostat valve (6) is closed are arranged parallel to one or more pressure sinks in a flow branch that can be influenced by the additional valve (6bv) and that the heating heat exchanger circuit and this other when the autarkic thermostatv Entil (6) through which coolant branches can flow when there is a reduced cooling or heating requirement, despite the rotating engine coolant pump (7), a reduced pressure difference up to a pressure difference of zero is imposed so that the additional valve (6bv) partially or completely closes.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, die mittels einer Motorkühlmittelpumpe
Es ist bekannt, bei modernen PKW mittels Wärmemanagement-Maßnahmen den Kraftstoffverbrauch zu senken. Eine schnelle Erwärmung des Kühlmittels und des Motoröls und damit auch der Motorbauteile sowie das Anheben der Thermostatöffnungstemperatur in der Teillast sind probate Mittel, um Kraftstoffverbrauchsverbesserungen zu realisieren.
Zukünftige Strategien zur Erzielung des vollen Kraftstoffeinsparpotenzials mittels derartiger Maßnahmen beinhalten insbesondere Möglichkeiten, den Öffnungszeitpunkt des Thermostaten mittels der Motorsteuerung frei zu wählen und den Kühlmitteldurchsatz durch den Motor im Warmlauf in weiten Bereichen zu variieren. Hierfür sind verschiedene Lösungen verfügbar, von der magnetischen Schaltkupplung zur Abschaltung der Kühlmittelpumpe des Motors über pumpeninterne Kurzschlussventile bis hin zur voll variablen el. Wasserpumpe als Ersatz für die riemengetriebene Kühlwasserpumpe.
Allen bekannten Lösungen zur Regelung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor ist gemeinsam, dass erhebliche Kosten für die erforderlichen Zusatzkomponenten anfallen. Neben den Maßnahmen zur Regelung des Durchflusses durch den Motor ist bei den meisten bekannten Optimierungsstrategien insbesondere der Austausch des heute üblichen Thermostaten mit Regelung des Kühlerdurchflusses mittels Dehnstoffelement durch ein von der Motorsteuerung frei ansteuerbares Ventil vorgesehen. Für die volle Ausnutzung des Potenzials sind in diesem Zusammenhang insbesondere relativ aufwändige Ventile vorgesehen, bei denen der Durchfluss durch den Kühler von der Motorsteuerung vorgegeben und über einen Schrittmotor feinfühlig eingestellt wird. Verschiedene Drehpositionen des Mehrwegeventils stellen dann z.B. bevorzugte Positionen für eine optimale Heißkühlung, eine maximale Kühlwirkung oder eine maximale Kabinenheizleistung ein. Die Kosten für ein derartiges Ventil, um mehrere Zu- und Abflüsse u.a. für den Kühler-, den Bypass- und den Heizkreislauf zu schalten bzw. stufenlos zu variieren, sind nicht unerheblich. Hinzu kommt ein weiterer Zusatzaufwand, wenn ein hinreichendes Fail-Safe-Verhalten für alle möglichen sommerlichen und winterlichen Betriebszustände realisiert werden soll.
Die Kosten sind daher bereits erheblich, selbst wenn unter Verzicht auf das volle Kraftstoffeinsparpotential darauf verzichtet wird, gleichzeitig mit der Einführung des Ventils auch eine Zusatzmaßnahme zur Variation der Kühlmittelpumpendrehzahl bzw. der Kühlmittelpumpenförderleistung vorzusehen.It is known to use thermal management measures to reduce fuel consumption in modern cars. Rapid heating of the coolant and engine oil, and thus also of the engine components, as well as raising the thermostat opening temperature under partial load are tried and tested means of improving fuel consumption.
Future strategies for achieving the full fuel-saving potential by means of such measures include in particular the possibility of freely selecting the opening time of the thermostat by means of the engine control and of varying the coolant throughput through the engine over a wide range during warm-up. Various solutions are available for this, from the magnetic clutch to switch off the coolant pump of the engine to the pump-internal short-circuit valves to the fully variable electronic water pump as a replacement for the belt-driven cooling water pump.
All known solutions for regulating the coolant throughput through the engine have in common that considerable costs are incurred for the necessary additional components. In addition to the measures for regulating the flow through the engine, most of the known optimization strategies provide in particular for the replacement of the thermostat commonly used today with regulation of the cooler flow by means of an expansion element through a valve that can be freely controlled by the engine control. In order to fully exploit the potential, relatively complex valves in particular are provided in this context, in which the flow through the cooler is specified by the motor control and is sensitively adjusted via a stepper motor. Different rotary positions of the multi-way valve then set, for example, preferred positions for optimal hot cooling, maximum cooling effect or maximum cabin heating output. The costs for such a valve to switch multiple inflows and outflows for the cooler, bypass and heating circuits, or to vary them continuously, are not insignificant. In addition, there is a further additional effort if sufficient fail-safe behavior is to be implemented for all possible summer and winter operating conditions.
The costs are therefore already considerable, even if the full fuel-saving potential is foregone, and an additional measure for varying the coolant pump speed or the coolant pump delivery rate is also provided at the same time as the introduction of the valve.
Nicht zuletzt vor dem Hintergrund der Kosten und der Betriebssicherheit hat sich bisher ein wesentlich einfacheres System zur Heißkühlung am Markt durchgesetzt, bei dem ein Dehnstoff-Thermostat mit einem el. beheizbaren Dehnstoffelement den wahlweisen Betrieb bei zwei verschieden Kühlmitteltemperaturen ermöglicht. Dabei wird ein Thermostat mit Dehnstoffelement eingesetzt, welcher beispielsweise ab 100°C zwangsläufig beginnt zu öffnen, bei el. Bestromung des Heizelements wird dieser Öffnungszeitpunkt dann mittels der el. Wärmezufuhr zum Dehnstoffelement auf z.B. 80°C verschoben. Die Kraftstoffverbrauchsvorteile sind hier zwar nicht voll ausgeschöpft, u.a. weil die Wirksamkeit des Systems auf Fahrsituationen mit Kühlmitteltemperaturen oberhalb von ca. 80°C begrenzt ist, die Mehrkosten sind aber auch wesentlich geringer. Darüber hinaus ist sowohl jegliche Diskussion bezüglich der Robustheit des Systems und deren Fail-Safe-Charakteristik als auch die Frage nach der Verfügbarkeit serienreifer Bauteile angesichts der bereits vorliegenden Serienerfahrung mit dieser Art von el. beheizten Thermostaten weitgehend gegenstandslos.
Dennoch arbeiten die Systemlieferanten für KFZ-Kühlsysteme an den eingangs beschriebenen Varianten zur vollen Ausschöpfung des Kraftstoffeinsparpotenzials von Wärmemanagementmaßnahmen. Der Erfolg dieser neuen Lösungswege ist jedoch einerseits in erheblichem Maße an die Entwicklung der Emissionsvorschriften und der Kraftstoffpreise gekoppelt, andererseits auch sehr stark an die Bereitstellung wesentlich preiswerterer Hardware als bisher verfügbar. Umgekehrt erschwert gerade der ausbleibende Großserienanlauf fallende Hardwarepreise für das el. Mehrwegeventil als Thermostatersatz und gegebenenfalls die schalt- bzw. regelbare Kühlwasserpumpe.
Auch wenn inzwischen ein namhafter Kfz-Hersteller für eine ganze Motorfamilie den hohen Aufwand für ein Kühlsystem mit elektrisch angetriebener Motorkühlwasserpumpe betreibt, um möglichst viel Kraftstoff zu sparen, so verhindern doch die hohen Kosten vielerorts die Einführung eines derartigen Systems.
Nicht zuletzt deshalb sind in jüngster Zeit preiswertere Systeme, wie z.B. der el. Thermostat in Drei-Teller-Ausführung in die Serienanwendung gelangt. Bei derartigen Systemen verschließt einer der drei Teller - der sogenannte Schließteller- den kleinen Kühlmittelkreislauf in der frühen Warmlaufphase und öffnet mit zunehmender Motorerwärmung. Mittels el. Bestromung des Dehnstoffelementes bei hoher thermischer Belastung des Motors wird bei Bedarf der Bypasszweig weiter geöffnet bzw. bei sehr hohem Kühlbedarf und weit geöffnetem Kühlerkreislauf wieder geschlossen. Die el. Bestromung hilft insbesondere, früheren Problemen des Dreitellerthermostaten beim schnellen Umschalten von Teillast auf Volllast speziell bei kaltem Motor zu begegnen. Die begrenzte Ansprechgeschwindigkeit bei kaltem Kühlwasser lässt den Einsatz des Dreitellerthermostaten jedoch nach wie vor nicht bei jedem Motor ohne konstruktive Zusatzmaßnahmen zu.
Auch Systeme mit frei ansteuerbarem Bypassventil, z.B. als stufenlos angesteuerter Drehschieber, sind bekannt, die dieses Problem nicht aufweisen, allerdings bezüglich der Kosten wieder ungünstiger liegen.Not least against the background of costs and operational safety, a much simpler system for hot cooling has prevailed on the market, in which an expansion thermostat with an electrically heated expansion element enables the optional operation at two different coolant temperatures. A thermostat with an expansion element is used, which inevitably begins to open from 100 ° C, for example. The fuel consumption advantages are not fully exploited here, partly because the effectiveness of the system is limited to driving situations with coolant temperatures above approx. 80 ° C, but the additional costs are also significantly lower. In addition, any discussion regarding the robustness of the system and its fail-safe characteristics as well as the question of the availability of components ready for series production are largely irrelevant in view of the already existing series experience with this type of electrically heated thermostats.
Nevertheless, the system suppliers for vehicle cooling systems are working on the variants described above to fully exploit the fuel-saving potential of thermal management measures. However, the success of these new approaches is, on the one hand, largely linked to the development of emission regulations and fuel prices, and on the other hand, is also very much linked to the provision of hardware that is much cheaper than previously available. Conversely, the failure to start large-scale production makes falling hardware prices for the electronic multi-way valve as a thermostat replacement and possibly the switchable or controllable cooling water pump more difficult.
Even if a well-known motor vehicle manufacturer is now investing a great deal of effort into a cooling system with an electrically driven engine cooling water pump for an entire engine family in order to save as much fuel as possible, the high costs in many places prevent the introduction of such a system.
Not least because of this, more economical systems, such as the electronic thermostat in a three-plate design, have recently come into series use. In such systems, one of the three plates - the so-called closing plate - closes and opens the small coolant circuit in the early warm-up phase with increasing motor heating. By means of electrical current supply to the expansion element when there is a high thermal load on the engine, the bypass branch is opened further if necessary or closed again when there is a very high cooling requirement and the cooler circuit is wide open. The electrical current supply helps in particular to counter previous problems with the three-plate thermostat when quickly switching from partial load to full load, especially when the engine is cold. The limited response speed with cold cooling water, however, still does not allow the use of the three-disk thermostat with every engine without additional design measures.
Systems with a freely controllable bypass valve, for example as a steplessly controlled rotary slide valve, are also known which do not have this problem, but are again less favorable in terms of costs.
Allen bekannten Systemen einschließlich des Dreitellerthermostaten ist gemeinsam, dass spezielle Eingriffe im Heizkreislauf nötig sind, um zu verhindern, dass sich die im Heizkreislauf umgewälzte Kühlmittelmenge negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Um innerhalb des Motors im Warmlauf möglichst kleine wasserseitige Wärmeübergangskoeffizienten zu erzielen, sowie um die wärmeaktiven Massen und Wärmeverluste des Heizkreislaufs zu minimieren, sind bei den bisher bekannten Wärmemanagement-Systemen separate Vorrichtungen vorgesehen, die es erlauben den Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungszweig im Warmlauf zu unterbinden oder zumindest stark zu drosseln. Speziell bei luftseitiger Regelung der Kabinenheizung fallen damit i.a. zusätzliche Kosten für Kühlmittelventile oder sonstige Bauteile zur Unterbindung/Drosselung des Heizungsvolumenstroms an.All known systems, including the three-plate thermostat, have in common that special interventions in the heating circuit are necessary in order to prevent the amount of coolant circulated in the heating circuit from having a negative effect on fuel consumption. In order to achieve the smallest possible water-side heat transfer coefficients within the engine during warm-up, and to minimize the heat-active masses and heat losses of the heating circuit, separate devices are provided in the previously known thermal management systems that allow the coolant throughput through the heating branch to be prevented or during warm-up at least to throttle strongly. Especially with air-side control of the cabin heating, this generally means that additional costs for coolant valves or other components to prevent / throttle the heating volume flow.
In diesem Umfeld zeigt die
Die
Die
Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein besonders kostengünstiges und dennoch betriebssicheres Kühl- und Heizsystem zu schaffen, bei dem möglichst viel des Kraftstoffeinsparpotenzials von Wärmemanagementmaßnahmen bereits bei Kühlmitteltemperaturen unterhalb der heute bei Kühlsystemen ohne el. Thermostaten üblichen Thermostatöffnungstemperatur genutzt werden kann.In contrast, the object of the present invention is to create a particularly cost-effective and yet operationally reliable cooling and heating system in which as much of the fuel-saving potential as possible can be used by thermal management measures at coolant temperatures below the thermostat opening temperature common today in cooling systems without electronic thermostats.
Diese Aufgabe wird mit den Verfahren und Vorrichtungen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.This object is achieved with the methods and devices according to the independent claims.
Auch die übrigen Ansprüche bieten darüber hinaus je nach Ausgestaltungsvariante weitere Vorteile.The other requirements also offer further advantages depending on the design variant.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einigen der Ausführungsbeispiele insbesondere auch dazu genutzt werden, einen Teil des Kraftstoffeinsparpotenzials zu realisieren, für das eine Kühlmitteltemperatur oberhalb der heute bei Kühlsystemen ohne el. Thermostaten üblichen Thermostatöffnungstemperatur benötigt wird.In some of the exemplary embodiments, the method according to the invention can in particular also be used to realize part of the fuel-saving potential for which a coolant temperature is above that of today's cooling systems Without el. thermostats usual thermostat opening temperature is required.
Als insbesondere anzustrebende bzw. zu überbietende Eckpunkte für die Temperaturen und Kosten sind hierbei derzeit die Werte der el. beheizbaren Thermostaten anzusehen, wie sie heute am Markt zu finden sind, d.h. insbesondere Einstellung der Kühlmitteltemperatur mittels der Motorsteuerung auf Werte zwischen 80-85°C bei hoher Last und 100-115°C in der Teillast.
Insbesondere können dabei die Leistungsmerkmale bezüglich Kraftstoffeinsparung und schneller Umschaltung von Teillast auf Volllast sowie die Gesamtsystemkosten des dieses Jahr zum ersten Mal in Großserie angewandten Drei-Teller-Thermostaten übertroffen werden.The values of the electrically heated thermostats as they can be found on the market today, i.e. in particular setting the coolant temperature to values between 80-85 ° C by means of the engine control, are currently to be regarded as key points for temperatures and costs that are particularly to be strived for or to be surpassed at high load and 100-115 ° C in partial load.
In particular, the performance features in terms of fuel savings and quick switchover from partial load to full load as well as the overall system costs of the three-plate thermostat, which was used in large-scale production for the first time this year, can be exceeded.
Darüber hinaus werden die Anforderungen bezüglich der Kabinenheizwirkung uneingeschränkt erfüllt. Einige der Anwendungsbeispiele ermöglichen es darüber hinaus, dass die Heizwirkung verbessert wird bzw. dass in der Teillast eine Umschaltung zwischen einer ersten Betriebsart mit deutlich verbessertem Kraftstoffverbrauch und einer zweiten Betriebsart mit verbesserter Heizleistung und etwas weniger verbessertem Kraftstoffverbrauch realisiert werden kann.In addition, the requirements with regard to the cabin heating effect are fully met. Some of the application examples also make it possible to improve the heating effect or to switch between a first operating mode with significantly improved fuel consumption and a second operating mode with improved heating power and slightly less improved fuel consumption in the partial load.
In Verbindung mit einem Teil der beigeordneten Ansprüche ist sogar eine Umschaltung zwischen einer ersten Betriebsart mit deutlich verbessertem Kraftstoffverbrauch und einer zweiten Betriebsart mit verbesserter Heizleistung und etwas weniger verbessertem Kraftstoffverbrauch realisierbar.In connection with a part of the associated claims, it is even possible to switch between a first operating mode with significantly improved fuel consumption and a second operating mode with improved heating power and somewhat less improved fuel consumption.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist speziell die Option, den Kühlmitteldurchfluss durch den Bypasszweig der Motorkühlung sowie durch die Heizung ohne weitere aktiv angesteuerte Zusatzbauteile mit einem einfachen Auf/Zu-Zweiwege-Ventil zeitweise auf Null zu setzen, besonders attraktiv.
Im Extremfall genügt, ausgehend von heutigen Serienkühlsystemen, das Einfügen des Zusatzventils 6bv und die Verlegung des Heizungswärmetauscheranschlusses an die unübliche Position stromab des Zusatzventils 6bv.
Wichtig ist dabei in der einfachsten Variante ohne el. Heizungspumpe, dass hinter dem Zusatzventil 6bv und dem Inneren des Thermostaten
In extreme cases, starting with today's series cooling systems, it is sufficient to insert the additional valve 6bv and relocate the heating heat exchanger connection to the unusual position downstream of the additional valve 6bv.
In the simplest variant without an electric heating pump, it is important that it is behind the additional valve 6bv and the inside of the thermostat
Da bei heutigen Serienanwendungen der für den Heizkreislauf verfügbare Druck ohnehin schon kaum ausreicht, erscheint es auf den ersten Blick wenig zielführend, ein zusätzliches Ventil - verbunden mit entsprechenden Druckverlusten - einzufügen und dann die Heizung erst hinter diesem Ventil anzuschließen. Auf den ersten Blick ist man vielmehr geneigt, über das Schließen des Zusatzventils die verfügbare Druckdifferenz für die Heizung zu erhöhen, um die Heizungswärmetauscherleistung zu steigern.Since the pressure available for the heating circuit is hardly sufficient in today's series applications anyway, it does not seem expedient at first glance to insert an additional valve - associated with corresponding pressure losses - and then connect the heating only after this valve. At first glance, one is more inclined to increase the available pressure difference for the heating by closing the additional valve in order to increase the heating heat exchanger performance.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung geht diesen Weg dennoch, da sich damit ein Weg zur Kraftstoffeinsparung erschließt, der in seiner Kosten/Nutzen-Bilanz extrem günstig ist.
Es kann damit mittels Schließen nur eines einzigen Auf/Zu-Zusatzventils in der Warmlaufphase eine Betriebsart ohne jegliche Motordurchströmung mit Kühlmittel eingestellt werden. Die damit einhergehenden Kraftstoffeinsparungen sind bekannt. Natürliche Kühlmittelkonvektion und die thermischen Trägheiten der Motorbauteile einschließlich des motorinternen Kühlmittels und des Motoröls sorgen dafür, dass der Motor bei moderater Motorlast z.B. in den ersten ECE-Zyklen des gesetzlichen Abgastests nicht überhitzt. In Phasen mit erhöhtem Kühlbedarf wird das Zusatzventil dann beispielsweise von der Motorsteuerung schlagartig oder auch getaktet geöffnet. Bei vollständiger Öffnung verhält sich das System wie ein ganz konventionelles Kühlsystem.
Bei entsprechend kleinem Druckverlust am Zusatzventil kann gegebenenfalls ein bereits vorhandener Serienthermostat mit konventionellem Zusatzventil unverändert verwendet werden. Bei Serienthermostaten ohne Bypass muss gegebenenfalls dafür gesorgt werden dass eine hinreichend große Drucksenke hinter dem Zusatzventil sicherstellt, dass hinreichend Druckabfall entsteht, um für die Durchströmung des Heizungswärmetauschers bei geöffnetem Zusatzventil zu sorgen.The embodiment according to the invention still goes this way, since it opens up a way to save fuel which is extremely favorable in terms of its cost / benefit balance.
An operating mode without any engine flow through with coolant can thus be set by closing just a single additional open / close valve in the warm-up phase. The associated fuel savings are well known. Natural coolant convection and the thermal inertia of the engine components including the engine's internal coolant and engine oil ensure that the engine does not overheat with moderate engine load, e.g. in the first ECE cycles of the statutory emissions test. In phases when there is an increased need for cooling, the additional valve is then opened suddenly or cyclically, for example by the engine control. When fully opened, the system behaves like a completely conventional cooling system.
If the pressure loss at the additional valve is correspondingly small, an existing series thermostat with a conventional additional valve can be used without any changes. In the case of standard thermostats without a bypass, it may be necessary to ensure that a sufficiently large pressure drop behind the additional valve ensures that there is a sufficient pressure drop to ensure that there is flow through the heating system heat exchanger when the additional valve is open.
Wie Versuche an Serienfahrzeugen zeigen, ist diese Ausgestaltung des Kühl- und Heizkreislaufs bei entsprechender Auswahl des Zusatzventils, insbesondere bei der Ausgestaltung als Drehschieber- oder Kugelventil, ohne Einbuße an Heizkomfort möglich. Bei sorgfältiger Anpassung der Ansteuerung des Zusatzventils mittels der Motorsteuerung führt dies in einer ersten Betriebsart mit geöffnetem Zusatzventil auf eine gute bzw. ausreichende Kabinenheizung bei voller Kühlfunktionalität. Bei geschlossenem Ventil ist die Heizung deaktiviert bei gleichzeitiger Reduktion des Kraftstoffverbrauchs.
Die Ansteuerung des Zusatzventils mittels der Motorsteuerung bietet insbesondere den Vorteil, dass unabhängig von der Kühlmitteltemperatur jederzeit auf vollen Kühlmitteldurchsatz durch den Motor geschaltet werden kann. Speziell Motoren sehr hoher spezifischer Leistung lassen sich somit bei einem Lastsprung sehr gut schützen. Die von el. Thermostaten bekannten Totzeiten beim Öffnen und Schließen entfallen, so dass z.B. länger mit stehendem Wasser gefahren werden kann. Gegebenenfalls kann auch eine Auf/Zu-Regelung des Zusatzventils erfolgen.
Als weiterer Vorteil lässt sich mit dieser Ausgestaltung auch das Kavitationsrisiko an der Motorkühlwasserpumpe bei hohen Motordrehzahlen sicherer beherrschen als beispielsweise mit dem Dreitellerthermostaten.As tests on series vehicles show, this configuration of the cooling and heating circuit is possible with a corresponding selection of the additional valve, in particular when configured as a rotary slide valve or ball valve, without any loss of heating comfort. If the control of the additional valve is carefully adapted by means of the engine control, in a first operating mode with the additional valve open, this leads to good or adequate cabin heating with full cooling functionality. When the valve is closed, the heating is deactivated and fuel consumption is reduced at the same time.
The activation of the additional valve by means of the engine control offers the particular advantage that the engine can switch to full coolant throughput at any time, regardless of the coolant temperature. In particular, motors with a very high specific power can be protected very well in the event of a sudden load change. Those of el. Thermostats There are no known dead times when opening and closing, so that, for example, it is possible to drive longer with standing water. If necessary, an open / close control of the additional valve can also take place.
As a further advantage, the risk of cavitation on the engine cooling water pump at high engine speeds can also be controlled more reliably with this configuration than with the three-plate thermostat, for example.
Auch wenn die bisher beschriebene Einfachst-Variante des erfindungsgemäßen Kühl- und Heizkreislaufs nicht das volle Kraftstoffeinsparpotenzial erschließt und sich im Vergleich zu früheren Patentanmeldungen mit schaltbarem Zusatzventil und Anpassung des Kühlmitteldurchsatzes im Heizungswärmetauscher neben geringeren Kraftstoffeinsparungen i.a. auch keine bessere Kabinenheizwirkung ergibt, so machen speziell die Einfachheit und der Kostenaspekt diese Ausgestaltung besonders attraktiv. Die Kosten für ein Auf/Zu-Ventil sind insbesondere deshalb so gering, weil derartige Ventile bereits im Serieneinsatz sind und sich daher die Investitionen in Entwicklung und Fertigung sehr gering halten lassen. Ebenso ist damit auch das Ausfall-Risiko sehr klein. Dieses lässt sich noch zusätzlich reduzieren, wenn man auf Ventilbauarten zurückgreift, die stromlos offen sind. Dies gilt insbesondere für Magnetventile oder Ventile mit Vakuumaktuator.Even if the simplest variant of the cooling and heating circuit according to the invention described so far does not open up the full fuel-saving potential and compared to earlier patent applications with a switchable additional valve and adjustment of the coolant flow rate in the heating system heat exchanger, in addition to lower fuel savings, in general. also does not give a better cabin heating effect, so the simplicity and the cost aspect make this embodiment particularly attractive. The costs for an on / off valve are so low, in particular, because such valves are already being used in series production and investments in development and production can therefore be kept very low. The risk of failure is also very small. This can be further reduced by using valve types that are open when de-energized. This applies in particular to solenoid valves or valves with vacuum actuators.
Die bisherigen Ausführungen konzentrierten sich auf die Platzierung der Heizungswärmetauscherzuleitung auf eine Stelle stromab des Zusatzventils bei gleichzeitiger Platzierung der Heizungswärmetauscherrückleitung auf der Saugseite, der Motorkühlwasserpumpe, wahlweise direkt am Pumpeneintritt oder am Eintritt in den der Pumpe vorgeschalteten Thermostaten
In analoger Weise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in Varianten aber auch umgekehrt anwenden, d.h. mit Platzierung der Heizungswärmetauscherrückleitung an eine Stelle stromauf des Zusatzventils bei gleichzeitiger Platzierung der Heizungswärmetauscherzuleitung auf der Druckseite der Motorkühlwasserpumpe, wahlweise direkt am Pumpenaustritt oder am Wassermantel der Zylinderlaufbahn. Bei geschlossenem Zusatzventil 6bv und geschlossenem Kühlerkreislauf
Zur weiteren Vertiefung des erfindungsgemäßen Gedankenguts werden nachfolgend einige besonders vorteilhafte Ausgestaltungen anhand von exemplarischen Kühl- und Heizkreisläufen beschrieben.To further deepen the ideas according to the invention, some particularly advantageous configurations are described below with the aid of exemplary cooling and heating circuits.
Hierzu zeigt
Bei geöffnetem Zusatzventil 6bv wird das Kühlmittel gemäß
Es kann insbesondere aber auch vorteilhaft sein, das Zusatzventil zunächst geschlossen zu halten, dann bei Erreichen einer ersten Temperatur unterhalb der Thermostatöffnungstemperatur das Zusatzventil zu öffnen, so dass sich ein erster Temperaturausgleich im Bypass- und Heizungszweig einstellt und sich am Ölkühler
Solange keinerlei Strömung im Bypasszweig und damit auch im Heizzweig vorliegt, besteht keine Gefahr, dass ein Teil des erwärmten Kühlwassers über ein Teilöffnen des Kühlerthermostaten entweicht. Ein sprungartiges Öffnen des Zusatzventils 6bv führt unmittelbar zu einer Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten im Wassermantel des Motors und damit zu einer Kühlwirkung. Ein Thermoschock-Risiko besteht nicht, da der Thermostat
Gegebenenfalls erfolgt ein getaktetes Öffnen des Zusatzventils, so dass auch ein allmähliches Zuschalten der Heizung bzw. des Kühlers realisierbar ist. Dabei nimmt das erfindungsgemäße Vorgehen nicht in Anspruch der thermodynamisch beste Weg zu sein. Vielmehr ist hier stets das Verhältnis von Kosten zu Nutzen zu sehen. Speziell wenn der Kraftstoffverbrauch ohne zusätzliche Ansprüche an die Heizwirkung im Vordergrund steht, ist das erfindungsgemäße Vorgehen vorteilhaft. Wenn gleichzeitig eine Verbesserung der Heizleistung gefragt wäre, so wäre ausgehend von
Da speziell bei Fahrzeugen der gehobenen Preisklasse vielfach ohnehin eine el. Heizungspumpe zum Einsatz kommt, um bei stehender Brennkraftmaschine durch Umwälzen von Kühlmittel eine Aufrechterhaltung der Kabinenheizung sicherzustellen, spielt der Druckverlust im Heizungswärmtauscherkreislauf vielfach aber auch eine etwas untergeordnete Rolle.
Umgekehrt ist speziell bei erhöhten Anforderungen an die Heizung normalerweise die Ausgestaltung gemäß
Eine Durchflussstrategie für gleichzeitige Verbesserung von Heizleistung und Kraftstoffverbrauch unter Verwendung des Kühlkreislaufs gemäß
- Bei einem Kaltstart bei -10°C Umgebungstemperatur und 50 km/h, d.h. rel. geringer Motorlast, wird in einem ersten Schritt das Zusatzventil 6bv geschlossen, die el.
- Zusatzpumpe fördert das Kühlmittel in der in
6 gezeigten Richtung. Damit wird ein sicheres Defrosten der Windschutzscheiben sichergestellt bzw. ein Beschlagen der Scheiben wird vermieden. Nach Erreichen einer Mindest-Kühlmitteltemperatur wird dann die Gebläseleistung allmählich hochgefahren, so dass der Luftmassenstrom in die Fahrerkabine hinein steigt, wobei gleichzeitig die Luftströmung nun nicht mehr primär durch die Defrosterdüsen geleitet wird, sondern auch in Richtung Fußraum und gegebenenfalls in Richtung Mannanströmer. - Dabei ist es zur Maximierung der Kabinenheizwirkung vorteilhaft, wenn der Kühlmittelmassenstrom durch den Heizungswärmetauscher
4 so eingestellt wird, dass die Kühlmitteltemperatur an dessen Austritt spürbar unterhalb der Öltemperatur des durchden Ölkühler 40 strömenden Motoröls liegt. Je besser der Wärmenutzungsgrad des Heizungswärmetauschers bei relativ geringen Kühlmitteldurchflüssen ist, desto mehr Wärme lässt sich auf diesem Umweg über die Abkühlung des Motoröls für Heizzwecke gewinnen. Die reduzierten Wärmeverluste an die Umgebung überkompensieren bei sorgfältiger Abstimmung von Kühlmittelvolumenstrom und Heizungswärmetauscherwirkungsgrad die Einbußen an Heizungswärmetauscherwirkungsgrad bei Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes. Für maximale Heizleistung ist es dabei insbesondere vorteilhaft, Heizungswärmetauscher in Gegenstrombauart zu verwenden, da diese bei Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes wesentlich weniger Wirkungsgradeinbuße haben als konventionelle Kreuzstromwärmetauscher. - Wenn in der Fahrerkabine die gewünschte Innenraumtemperatur erreicht ist, verhindert die luftseitige Regelklappe
5 , dass die Innenraumtemperatur im Fahrzeug weiter ansteigt, indem ein Teil der in die Kabine geförderten Frischluft am Heizungswärmetauscher4 vorbei geleitet wird. - Damit steigt die Kühlmitteltemperatur am Heizungswärmetauscheraustritt und dem Öl wird weniger oder gar keine Wärme mehr entzogen. Im weiteren Verlauf der Fahrt wird i.a. die Kühlmitteltemperatur weiter steigen, speziell wenn die am Heizungswärmetauscher entnommene Wärmemenge bei warmem Innenraum zusätzlich durch ein Zurücknehmen der Gebläseleistung abnimmt. Doch auch wenn das Kühlmittel mit Temperaturen oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur von beispielsweise 88°C aus dem Heizungswärmetauscher bzw. dem Ölkühler zum Motor zurückströmt bleibt der Thermostat
6 geschlossen, da das Kühlmittel nicht entlang des Dehnstoffelementes strömt. Damit wird sichergestellt, dass nicht unbeabsichtigt Wärme überden Kühler 8 abgegeben wird, bevor eine vollständige Erwärmung des Motors einschließlich des Kühlwassers und des Öls erfolgt ist. Optional kann die el.Pumpe 2 nach Erreichen der gewünschten Innenraumtemperatur in der Förderleistung erhöht werden, um den Wärmeeintrag ins Motoröl dadurch zu erhöhen, dass das Kühlwasser wärmer am Ölkühler ankommt. Dies ist auch deshalb vorteilhaft, weil mit Annäherung an kritische Bauteiltemperaturen bzw. an den kritischen Systemdruck eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb des Motors anzustreben ist. - Sobald die Motorlast bzw. die Kühlmitteltemperatur oder die Bauteiltemperatur oder der Kühlmitteldruck einen kritischen Wert überschreitet, öffnet das Zusatzventil 6bv. Damit strömt unmittelbar ein sehr hoher Kühlmittelstrom durch den Bypasszweig und durch den Motor und sorgt für einen Temperaturausgleich. Gegebenenfalls öffnet das nun von warmem Kühlmittel umströmte Dehnstoffelement des Thermostaten
6 den Kühlerkreislauf 6a und regelt auf die Thermostat-Solltemperatur von z.B. 88°C. In vielen Fällen wird es mit Blick auf einen optimalen Kraftstoffverbrauch vorteilhaft sein, das Zusatzventil 6bv nach kurzer Zeit wieder zu schließen, da die wärmeaktiven Massen im Ausgleichsbehälter und im Bypasszweig bereits reichen, um thermische Lastspitzen wegzudämpfen. Gegebenenfalls kann eine Ein/Aus-Regelung noch etwas an Kraftstoffverbrauchsvorteil nutzen, da die zeitlich mittlere Motorkühlmitteltemperatur dadurch oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur liegt.
- With a cold start at -10 ° C ambient temperature and 50 km / h, ie rel. low engine load, the additional valve 6bv is closed in a first step, the el.
- Auxiliary pump conveys the coolant in the in
6th direction shown. This ensures reliable defrosting of the windshields and prevents the windows from fogging up. After a minimum coolant temperature has been reached, the fan output is gradually increased so that the air mass flow into the driver's cab increases, while at the same time the air flow is no longer primarily directed through the defroster nozzles, but also in the direction of the footwell and, if necessary, in the direction of the Mannanstroemer. - In order to maximize the cabin heating effect, it is advantageous if the coolant mass flow passes through the heating system heat exchanger
4th is set so that the coolant temperature at its outlet is noticeably below the oil temperature of theoil cooler 40 flowing engine oil. The better the degree of heat utilization of the heating system heat exchanger with relatively low coolant flows, the more heat can be obtained for heating purposes in this detour by cooling the engine oil. The reduced heat losses to the environment more than compensate for the losses in heating heat exchanger efficiency when the coolant throughput is reduced if the coolant volume flow and heating heat exchanger efficiency are carefully coordinated. For maximum heating output, it is particularly advantageous to use countercurrent heating heat exchangers, since these have significantly less loss of efficiency than conventional cross-flow heat exchangers when the coolant throughput is reduced. - When the desired interior temperature is reached in the driver's cab, the air-side regulating flap prevents this
5 that the interior temperature in the vehicle continues to rise because some of the fresh air delivered into the cabin is at the heating system heat exchanger4th is passed by. - This increases the coolant temperature at the heater's heat exchanger outlet and less or no heat at all is extracted from the oil. As the journey continues, the coolant temperature will generally continue to rise, especially if the amount of heat extracted from the heating system heat exchanger also decreases when the interior is warm by reducing the fan output. But even if the coolant flows back to the engine at temperatures above the thermostat opening temperature of, for example, 88 ° C, the thermostat remains
6th closed because the coolant does not flow along the expansion element. This ensures that there is no inadvertent heat from the cooler8th is released before the engine, including the cooling water and oil, has fully warmed up. Optionally, the el.Pump 2 after reaching the desired interior temperature, the delivery rate can be increased in order to increase the heat input into the engine oil by the fact that the cooling water arrives at the oil cooler warmer. This is also advantageous because as the critical component temperatures or the critical system pressure approach, a more homogeneous temperature distribution within the engine is desirable. - As soon as the engine load or the coolant temperature or the component temperature or the coolant pressure exceeds a critical value, the additional valve 6bv opens. This means that a very high flow of coolant flows directly through the bypass branch and through the engine and ensures temperature equalization. If necessary, the thermostat's expansion element, around which the warm coolant flows, opens
6th thecooler circuit 6a and regulates to the set thermostat temperature of, for example, 88 ° C. In many cases, with a view to optimal fuel consumption, it will be advantageous to close the additional valve 6bv again after a short time, since the heat-active masses in the expansion tank and in the bypass branch are already sufficient to dampen thermal load peaks away. If necessary, an on / off control can still use some of the fuel consumption advantage, since the mean engine coolant temperature over time is thus above the thermostat opening temperature.
Bei geöffnetem Zusatzventil 6bv ist es bei der Anwendung gemäß
Die bisherigen Ausführungen zu
Bei erhöhtem Kühlbedarf öffnet auch bei dieser Anwendung gemäß
Die Anordnung gemäß
If there is an increased need for cooling, this application also opens accordingly
The arrangement according to
Zusatzventile 6bv zur Durchführung von erfindungsgemäßen Verfahren sind bereits am Markt verfügbar. Besonders zu bevorzugen sind hier einfache Auf/Zu-Ventile mit Vakuumdose oder mit Magnet als Aktuator.Additional valves 6bv for carrying out the method according to the invention are already available on the market. Simple on / off valves with a vacuum box or with a magnet as an actuator are particularly preferred.
Eine zusätzliche Absicherung bzw. Überwachung der Ventilposition ist angesichts der ohnehin vorhandenen Überwachung der Kühlwasser- oder Bauteiltemperatur mittels der Motorsteuerung
Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Ausführung gemäß
Speziell für Systeme mit el. Zusatzpumpe
Im Warmlauf stellt hier die el. Zusatzpumpe
Bei Überschreiten eines maximal zugelassenen Kühlmitteldrucks, sei es wegen zu hoher Motordrehzahl und/oder wegen Überschreiten der zulässigen Bauteiltemperatur bzw. Dampfblasendichte, wird auch hier der Strömungspfad 67,68 für den Bypasszweig geöffnet.
Mit dem Verzicht auf die direkte Ansteuerung über die Motorsteuerung
Dem steht durch den Entfall des Magnetventils beim Vakuumaktuator bzw. durch den Entfall des Hubmagneten beim direkt angesteuerten Kühlwassermagnetventil nahezu eine Halbierung der Ventilkosten gegenüber. Das wird besonders an der Ventilausgestaltung einer Variante der Erfindung gemäß
- Das autarke Zusatzventil arbeitet hier
mit einem Drehschieber 106 , der überden Hebel 105 und den Stößel 104 der externen Überdruckdose100 angetrieben wird. - Der Kühlmitteldruck gelangt über
den Anschluss 103 in die Druckdose und öffnet bei Überschreiten eines Sollwerts das Ventil gegen den atmosphärischen Gegendruck zuzüglich einer Vorspannkraft. Ein erheblicher Vorteil ist hier dadurch gegeben, dass es möglich ist, den Drehschieber so zu gestalten, dass sich die Druckverluste nahezu auf die Verluste der Rohrströmung der Zu-und Ableitung 67 und68 reduzieren. Dies macht insbesondere die nachträgliche Systemintegration des Zusatzventils 6bv sehr einfach. Noch wichtiger ist aber der Vorteil, dass sich bei diesem Aktuator bereits bewährte Fertigungseinrichtungen und Werkzeuge heutiger Serienanwendungen nutzen lassen. Die Ventilkosten werden damit extrem gering und bieten dennoch sowohl die Funktionalität des Schließens im Warmlauf als auch der gleichzeitigen Sicherheitsüberwachung gegen Überhitzen des Motors. - Dabei kann gemäß
12 zur weiteren Systemvereinfachung in vielen Anwendungsfällen der Steuerdruck aucham Ventileintritt 67 entnommen werden, speziell wenn der Thermostat6 und der Kühler8 einen großen Anteil am Druckverlust im Motorkühlkreislauf aufweisen.
If a maximum permissible coolant pressure is exceeded, either because the engine speed is too high and / or because the permissible component temperature or vapor bubble density is exceeded, the
By doing without direct control via the engine control
By eliminating the solenoid valve in the vacuum actuator and the elimination of the lifting magnet in the directly controlled cooling water solenoid valve, the valve costs are almost halved. This is particularly true of the valve configuration according to a variant of the invention
- The self-sufficient additional valve works here with a
rotary slide valve 106 that is about thelever 105 and theplunger 104 theexternal overpressure unit 100 is driven. - The coolant pressure comes through the
connection 103 into the pressure cell and opens the valve against the atmospheric counterpressure plus a pre-tensioning force when a setpoint is exceeded. A considerable advantage is given here by the fact that it is possible to design the rotary slide valve in such a way that the pressure losses are almost the same as the losses in the pipe flow of the inlet andoutlet 67 and68 to reduce. In particular, this makes the subsequent system integration of the additional valve 6bv very easy. Even more important, however, is the advantage that proven production facilities and tools for today's series applications can be used with this actuator. The valve costs are extremely low and still offer both the functionality of closing during warm-up and simultaneous safety monitoring against overheating of the motor. - In doing so, according to
12th To further simplify the system, in many applications the control pressure also at thevalve inlet 67 can be removed, especially if the thermostat6th and the cooler8th have a large share in the pressure loss in the engine cooling circuit.
Die Ansteuerung über einen charakteristischen Kühlmitteldruck wird insbesondere dadurch begünstigt, dass die Einbindung des Rücklaufs vom Ausgleichsbehälter
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